L’Agence spatiale européenne (ESA) étudie depuis des années comment les structures dans l’espace peuvent être plus légères, plus autonomes et plus résilientes, mais les derniers résultats du projet de suiveur solaire passif sont allés un peu plus loin que les attentes initiales. Au lieu des systèmes mécaniques classiques avec moteurs, réducteurs et capteurs, les chercheurs ont mis au point une nouvelle génération de métastructures composites qui changent de forme d’elles-mêmes lorsque les conditions environnementales changent, en s’appuyant sur les principes de l’impression 4D et sur l’inspiration issue de la biologie.

Il s’agit d’une approche dans laquelle la construction n’est pas considérée comme un simple objet statique, mais comme un système matériel doté d’un comportement « intégré ». Dans ce concept, la dimension temporelle – la quatrième dimension par rapport à l’impression 3D classique – devient aussi importante que la géométrie. Une structure qui est totalement plane dans des conditions froides et sombres peut, par exemple, se courber progressivement vers une source de chaleur et de rayonnement à mesure que la température augmente, puis revenir à sa position initiale lorsque les conditions changent.

La recherche est menée par une équipe de l’Université de Bretagne Sud (UBS) et du groupe de recherche Bionics Group, en collaboration avec l’ESA et des partenaires industriels. Leurs travaux sur les métacomposites tubulaires et hélicoïdaux bio-inspirés imprimés en 4D, publiés dans la prestigieuse revue Advanced Materials Technologies, ont montré que de telles structures peuvent être précisément programmées pour se mouvoir sans aucune source d’énergie supplémentaire, uniquement grâce aux variations de température et au rayonnement solaire.

Du concept au brevet : comment est née la structure adaptative autonome

Dans le cadre de l’initiative de l’ESA pour la découverte et l’expérimentation d’idées radicalement nouvelles, les chercheurs ont d’abord développé un modèle théorique et des simulations numériques du comportement de tubes composites dotés d’une architecture interne spécialement conçue. Ils ont analysé comment l’orientation, la densité et la disposition des fibres dans les couches influencent la rotation, la flexion ou la torsion lorsque le matériau est chauffé. Une telle approche a permis de prédire, dès la phase de conception, l’ampleur du déplacement de la construction pour une variation de température donnée.

Les résultats ont dépassé les attentes initiales : il est apparu que la densité d’énergie de ces métacomposites – lorsqu’elle est normalisée par rapport à leur rigidité – peut rivaliser avec les capacités des alliages à mémoire de forme classiques, mais avec une construction plus simple et sans systèmes d’actionneurs complexes. Cette combinaison d’élaboration théorique et d’expériences pratiques a été suffisamment convaincante pour que l’ESA protège la technologie par un brevet pour les structures composites adaptatives tubulaires autonomes, destinées avant tout aux applications spatiales.

Le responsable des activités à l’ESA, Ugo Lafont, souligne que les résultats obtenus sont allés au-delà des attentes initiales et que c’est précisément l’union de la recherche académique et de l’application spatiale qui a rendu le concept suffisamment mûr pour une protection par brevet.

Le brevet couvre une nouvelle façon d’assembler des « blocs de construction » imprimés en 4D en ensembles modulaires pouvant être reconfigurés de manière passive. Chaque bloc est en soi une métastructure tubulaire, mais c’est seulement leur assemblage spatial qui permet des déformations sophistiquées de l’ensemble du montage – par exemple la rotation conjointe de la plateforme sur laquelle est installé un panneau solaire, sans aucun moteur ni engrenage.

Une telle approche change le paradigme de l’ingénierie classique : au lieu d’ajouter ultérieurement des actionneurs, des roulements et des axes à la structure, la fonction est « inscrite » dans le matériau lui-même. La construction devient ainsi à la fois porteuse et active, ce qui est particulièrement important dans l’espace où chaque composant supplémentaire représente une charge pour le lancement et un point de défaillance potentiel.

Rotoprinting : l’impression 4D qui programme le comportement dans l’architecture même

L’avancée technologique clé du projet est le développement d’une nouvelle technique de fabrication additive composite appelée « rotoprinting ». À première vue, le processus rappelle l’enroulement filamentaire classique des tubes composites : des fibres continues et une matrice sont appliquées sur un corps rotatif. Mais contrairement à l’enroulement standard, le rotoprinting permet une déposition de fibres par couches selon des motifs hélicoïdaux complexes, où l’angle, la séquence et l’épaisseur de chaque couche sont précisément contrôlés.

C’est précisément à travers ce « tissage numérique » que se définit le comportement futur de la construction. Le rapport entre les fibres posées selon des angles petits et grands, la manière dont les couches se croisent et les transitions entre les zones de densité de fibres différente déterminent si le tube va principalement se courber, se tordre ou combiner les deux effets lors du chauffage. Ainsi, l’impression ne crée pas seulement une géométrie, mais inscrit un plan de déformation dans l’architecture du matériau.

Les chercheurs ont montré qu’en combinant différentes sections de tubes – chacune avec son propre « programme » de déformation – on peut construire une structure plus longue dont le comportement change sur sa longueur. Un segment peut réagir fortement à de faibles différences de température, un autre ne s’activer qu’à des températures plus élevées, et un troisième rester presque neutre. De cette manière, un seul élément composite continu peut contenir plusieurs zones fonctionnelles, sans jonctions mécaniques.

Un autre avantage de cette approche est la possibilité d’utiliser des fibres continues et des bras robotisés pour produire des structures très longues. Alors que les prototypes de laboratoire sont actuellement de l’ordre du mètre, le même principe est, moyennant un dimensionnement de l’équipement, applicable à des structures hautes de plusieurs mètres ou plus – ce qui ouvre la voie à des applications dans des fermes solaires sur les surfaces planétaires, mais aussi dans des antennes spatiales ou des modules devant être déployés de manière passive après leur arrivée en orbite.

Suiveur solaire inspiré du tournesol : comment la structure « suit » le Soleil d’elle-même

Le démonstrateur le plus attractif de la technologie développée est le suiveur solaire passif. Au lieu d’une série de moteurs et d’ordinateurs de contrôle, ce système est composé d’une plateforme sur laquelle est installé un panneau solaire et, en dessous, d’un ensemble complexe de métastructures tubulaires imprimées en 4D. Lorsque le Soleil chauffe un côté de la construction, l’architecture interne du composite provoque la rotation de la plateforme vers la source de chaleur, de manière analogue à la façon dont la fleur du tournesol se tourne vers lui au cours de la journée.

À mesure que le Soleil se déplace dans le ciel, la répartition de la température dans la structure change, et avec elle la position de la plateforme. Lorsque les conditions changent – par exemple, lorsque le panneau entre dans l’ombre ou que la nuit tombe – le composite revient progressivement à une position plus neutre. Tout se déroule de manière continue, sans mouvements brusques ni le bruit que produiraient des moteurs, et sans consommer un seul watt d’énergie supplémentaire.

Outre l’économie d’énergie, l’approche passive apporte également une simplification substantielle du système. Il n’y a plus de câbles, d’alimentation, d’engrenages ni de roulements qu’il faut lubrifier et entretenir. Cela réduit la masse, mais aussi le risque de panne – un facteur extrêmement important pour un équipement qui doit fonctionner de manière fiable dans des lieux isolés, que ce soit dans les régions polaires sur Terre, ou sur des bases lunaires ou martiennes où l’entretien n’est pas une option.

Les prototypes de laboratoire ont montré qu’il est possible d’obtenir une rotation significative de la plateforme dans des gradients de température réels, ce qui rend le suiveur passif compétitif face aux solutions classiques au moins pour certains scénarios. Bien qu’il s’agisse d’un démonstrateur à un niveau de développement technologique précoce, le concept a clairement montré qu’un comportement « intelligent » peut être obtenu grâce à la conception de la métastructure, et non par l’ajout d’électronique.

Fibres de basalte et régolithe lunaire : construire à partir de ressources locales

L’un des aspects les plus intéressants du projet est son lien avec les recherches sur l’utilisation des ressources locales sur la Lune. Les fibres de basalte, qui constituent l’ossature de nombreux métacomposites développés, peuvent potentiellement être obtenues à partir du régolithe lunaire, c’est-à-dire la masse rocheuse poudreuse à grain fin qui recouvre la surface de la Lune. L’ESA et des institutions partenaires ont déjà mené des études sur l’extraction et le traitement de telles fibres pour les besoins de la construction d’habitats lunaires et d’éléments d’infrastructure.

Si des fibres de basalte peuvent être produites sur la Lune même, puis combinées avec des matrices appropriées dans des matériaux géopolymères ou d’autres composites, la possibilité d’une production de structures imprimées en 4D entièrement locale s’ouvre. Des bras robotisés pourraient utiliser le régolithe lunaire comme matière première, créer des métastructures tubulaires et les assembler en éléments porteurs, mais aussi fonctionnellement actifs comme des suiveurs solaires passifs ou des supports adaptatifs d’antennes de communication.

Une telle approche s’inscrit parfaitement dans les principes de l’économie circulaire dans un contexte spatial : au lieu d’acheminer depuis la Terre des ensembles mécaniques complexes, on utiliserait la roche locale sur la Lune, et les structures résultantes pourraient être adaptées ou recyclées plusieurs fois au cours de leur durée de vie. Une fois leur tâche primaire terminée, les mêmes tubes et blocs pourraient être intégrés dans des barrières de protection, des modules de stockage ou d’autres composants d’une future base lunaire.

Ce faisant, l’impression 4D apporte un avantage supplémentaire : le même matériau peut remplir différentes fonctions à différentes phases de la mission. Au début, les métastructures seraient optimisées pour le déploiement et l’orientation, et plus tard, leur contribution à la rigidité mécanique ou à la protection contre les rayonnements pourrait être davantage valorisée. En changeant les conditions environnementales, le rôle dominant joué par le comportement intégré du matériau change également.

La durabilité par la simplification des systèmes spatiaux

Au cœur de toute cette histoire se trouve l’idée que la durabilité dans l’espace est souvent obtenue par une simplification radicale. Chaque moteur, capteur ou circuit électronique nécessite de l’énergie, de la redondance et des masses supplémentaires, et chaque liaison mécanique est un point de défaillance potentiel. Si une fonction telle que l’orientation vers le Soleil peut être réalisée en étant prise en charge par la structure elle-même, le système spatial devient plus léger, moins complexe et plus autonome.

Les métastructures imprimées en 4D s’inscrivent dans cette logique : une fois produites et installées, elles n’ont besoin d’aucune entrée supplémentaire hormis les changements naturels de l’environnement. Dans l’espace, cela signifie les cycles de température entre les côtés ensoleillé et ombragé de l’orbite ou les rotations planétaires, tandis que sur les surfaces planétaires, les changements saisonniers entrent également en compte. Le matériau se comporte comme un « ordinateur passif » qui, sur la base de la variation de température, « calcule » de combien et dans quelle direction il doit se déplacer.

Une telle approche répond également à l’objectif stratégique plus large de l’ESA d’augmenter le degré d’autonomie des systèmes dans ses futures missions et de réduire le besoin d’intervention constante depuis la Terre. Dans des conditions de délai de signal et de flux de données limité, tout mécanisme qui « sait » de lui-même ce qu’il doit faire, sans contrôle actif, apporte un avantage opérationnel direct.

Dans le même temps, des structures plus simples signifient un entretien plus simple. Si un dommage survient, le remplacement d’un module de métastructure peut être plus rapide et moins coûteux que la réparation d’un mécanisme motorisé complet. L’approche modulaire, telle que la prévoit le concept breveté, permet de mettre à niveau ou d’adapter progressivement le système selon les besoins de la mission.

De la Lune à la Terre : applications dans l’énergie et le bâtiment

Bien que les premiers démonstrateurs aient été imaginés pour l’espace, les chercheurs développent parallèlement des versions terrestres de la technologie. Au lieu des fibres de basalte liées au régolithe lunaire, on utilise des fibres naturelles locales – par exemple le lin, le chanvre ou d’autres matières premières végétales – qui sont combinées avec des matrices appropriées pour créer des biocomposites au comportement programmé. De cette manière, le concept de métastructures « spatiales » gagne des applications très concrètes dans le contexte de la transition verte sur Terre.

Les suiveurs solaires passifs pourraient être utilisés dans des installations solaires de petite et moyenne taille où le gain lié au suivi du Soleil est significatif, mais où la mécanique complexe est trop coûteuse. Contrairement aux systèmes industriels massifs, ici de simples modules imprimés en 4D permettraient un suivi de base de la position du Soleil sans besoin d’entretien constant, ce qui est particulièrement attractif pour les zones isolées ou difficiles d’accès.

Un autre domaine d’application potentiel concerne les éléments de façade et les pare-soleil qui changent de forme selon la température ou l’intensité du rayonnement. De telles structures pourraient laisser passer plus de chaleur solaire en hiver et se « fermer » en été pour réduire la surchauffe des espaces, le tout sans capteurs ni moteurs. Les biocomposites imprimés en 4D deviennent ainsi un outil pour la régulation passive des flux thermiques dans les bâtiments et la réduction de la consommation d’énergie pour le chauffage et le refroidissement.

Dans les projets d’infrastructure, des constructions adaptatives qui amortissent les vibrations ou s’adaptent aux charges sont également possibles, par exemple dans des ponts, des tours ou des supports d’équipement. Bien que de telles applications soient encore au stade d’études conceptuelles, l’idée commune est de s’appuyer sur des matériaux conçus « intelligemment » plutôt que sur des systèmes actifs complexes.

Partenaires industriels et laboratoire commun pour le passage à l’échelle

Afin de déplacer la technologie de la paillasse de laboratoire vers l’application industrielle, l’Université de Bretagne Sud a établi un laboratoire commun avec l’entreprise Coriolis Composites, l’un des leaders de la fabrication de cellules robotisées et de logiciels pour la déposition automatisée de fibres composites. Dans ce laboratoire commun, nommé CompoMorph, on étudie comment transférer les principes du rotoprinting et de l’impression 4D sur des équipements et des processus qui travaillent déjà aujourd’hui dans les usines industrielles.

Les bras robotisés, que Coriolis Composites développe pour les structures composites classiques dans l’aéronautique, l’énergie et le secteur automobile, reçoivent un nouveau rôle en tant que plateformes de production de métastructures à forme variable. Au lieu de simplement poser des couches pour atteindre la résistance et la rigidité souhaitées, ils doivent désormais suivre précisément la « trajectoire de comportement » définie par les chercheurs – la géographie des fibres qui détermine comment la structure changera au fil du temps.

La collaboration avec l’industrie inclut également la définition des spécifications futures pour les missions spatiales. Les entreprises du secteur spatial sont intéressées par des systèmes qui pourraient réduire la masse et la complexité des antennes spatiales, des panneaux ou des structures qui se déploient après le lancement. Les actionneurs passifs à base de composites imprimés en 4D offrent la possibilité de transférer une partie de ces fonctions du domaine de la mécanique et de l’électronique vers celui des matériaux avancés.

Un tel transfert de connaissances des laboratoires de recherche vers le contexte industriel est crucial également pour le financement futur du développement. Le projet de suiveur solaire passif a continué à vivre à travers de nouvelles propositions au programme Discovery de l’ESA, mais aussi à travers des projets nationaux et européens axés sur l’impression 4D et les composites durables.

Nouvelles recherches et prochaines étapes dans le développement des composites 4D

Le travail sur les métacomposites tubulaires et hélicoïdaux bio-inspirés ne s’est pas achevé avec la publication d’un article scientifique ou l’approbation d’un brevet. Au contraire, ce sont précisément ces résultats qui ont ouvert de nouvelles questions et suscité une série d’études ultérieures. L’une d’elles est orientée vers le développement de biocomposites durables imprimés en 4D combinant des fibres naturelles et des matrices biosourcées, où l’accent est mis sur le changement de forme programmé avec une empreinte carbone minimale.

Un deuxième domaine de recherche concerne le passage à l’échelle de la technologie et la fiabilité en conditions réelles. Il est nécessaire d’examiner en détail comment le chauffage et le refroidissement cycliques de longue durée affectent les propriétés des métastructures, combien de fois il est possible d'« activer » la déformation sans fatigue notable du matériau, et comment des dommages locaux influencent le comportement global de la construction. Ces questions sont cruciales avant que les suiveurs solaires passifs ou des systèmes similaires ne commencent à être conçus pour des missions à haut degré de risque.

Une troisième ligne de recherche traite de l’intégration de telles structures dans des systèmes d’ingénierie plus larges. Même lorsque nous nous appuyons sur un changement de forme passif, il est nécessaire de comprendre comment la métastructure 4D se comportera en combinaison avec des supports, des panneaux, des réservoirs ou des instruments classiques. Les modèles de simulation doivent englober les comportements thermique et mécanique, mais aussi l’interaction avec l’environnement – du vide et des rayonnements aux champs de charges lors du lancement.

Et enfin, les équipes de recherche continuent de travailler sur l’élargissement de l’espace de conception : de nouveaux motifs de pose de fibres, de nouvelles combinaisons de matériaux et de nouvelles géométries de structures tubulaires et en plaques sont recherchés pour répondre aux défis spécifiques des missions. Chaque nouveau motif est en même temps un nouveau « mot » dans le langage par lequel les ingénieurs communiquent avec le matériau, définissant ce qu’il doit faire lorsque les conditions changent.

L’innovation ouverte comme moteur du développement des technologies spatiales

L’idée du suiveur solaire passif et des métastructures imprimées en 4D pour un changement de forme programmable a été initialement déposée via la plateforme de l’ESA pour l’innovation spatiale ouverte, Open Space Innovation Platform (OSIP). Ce mécanisme permet aux chercheurs du monde académique et de l’industrie de proposer des concepts non conventionnels que les programmes traditionnels pourraient ne pas reconnaître immédiatement.

Après une sélection initiale, le projet a été financé via l’élément Discovery des Activités de Base de l’ESA, qui sert de terrain d’essai pour des recherches plus risquées mais potentiellement disruptives. C’est précisément dans ce cadre que l’équipe a reçu la liberté d’expérimenter la combinaison d’une technologie composite avancée, de l’inspiration issue de la biologie et du concept d’impression 4D. Le résultat est un exemple de la façon dont une étude relativement modeste peut se transformer en brevet, en une série d’articles scientifiques et en toute une nouvelle direction de recherche.

Bien qu’il faille encore du temps avant que les suiveurs solaires passifs à base de métastructures 4D ne se retrouvent sur la Lune ou dans des champs solaires commerciaux sur Terre, les résultats d’aujourd’hui changent déjà notre manière de penser les structures. Au lieu de voir les matériaux comme des « supports » passifs, nous les percevons de plus en plus comme des participants actifs au fonctionnement des systèmes – du déploiement d’équipements dans l’espace à la gestion de l’énergie dans nos villes.